超空泡射弹小入水角高速斜入水试验研究

2020-03-05侯宇黄振贵郭则庆陈志华刘如石罗驭川

兵工学报 2020年2期

侯宇，黄振贵，郭则庆，陈志华，刘如石，罗驭川

(南京理工大学瞬态物理国家重点实验室，江苏南京 210094)

0 引言

入水过程是入射体从空气中穿过气体与液体交界面进入水中的过程，高速入水过程会瞬间出现巨大的冲击载荷，伴有强烈的水下压力波的产生，同时形成包裹弹体的超空泡，这对空投鱼雷、超空泡射弹等水下航行体结构强度、隐身性能和弹道稳定性提出了严峻的挑战。

对于航行体入水问题的研究已有一个世纪，最早始于对刚性球体垂直入水的试验，研究入水空泡演化过程[1]、球体运动阻力特性[2-3]等，首次提出了喷溅、空泡闭合方式等概念。随着入水问题研究的进一步深入，国内外学者取得了一定的成果。对于刚性球体，Truscott等[4]采用对称转轮的夹持装置对球体自旋入水进行了试验，研究自旋速度对球体入水空泡演化和运动特性的影响。对于回转体射弹模型，研究更多地关注头型对射弹入水过程的影响，陈先富[5]分别对锥头圆柱体和圆钢珠水平高速(720～1 370 m/s)入水进行了试验研究，研究2种弹丸对入水空穴演化的影响；张伟等[6]进行了3种头型弹丸水平高速(<160 m/s)入水试验，研究不同头型对入水弹道的影响；杨衡等[7]和路丽睿等[8]分别对不同头型射弹60°和55°倾斜低速(<6 m/s)入水进行了试验研究，分析了头型和入水速度对入水空泡和弹道特性的影响；王云等[9]对斜截头弹体30°倾斜入水(62～140 m/s)进行了试验，研究头型引起的弹体跨介质入水弹道弯曲的现象；施红辉等[10]进行了不同头型钝体18°倾斜和垂直入水试验(<100 m/s)，分析了不同工况下空泡形成和弹体运动轨迹变化；蒋运华等[11-12]对圆盘空化器航行体开展了垂直和斜入水试验研究，分析了弗劳德数、入水角度(45°～90°)和通气率对空泡尺寸、喷溅闭合时间和位置的影响；周杰等[13]对锥柱弹丸300～400 m/s和1 800 m/s倾斜入水进行了试验研究，分析了2种速度下气水界面的冲击波系和流场结构变化；陈诚等[14-15]利用内置惯性测量单元对超空泡航行器20°角倾斜入水(44～90 m/s)进行了试验,并结合数值模拟研究空化器直径对入水过程中冲击载荷变化特性的影响；Chen[16]分别对3种头型射弹90°和80°入水(44～150 m/s)进行试验研究，分析了3种头型对弹道稳定性和水下压力波峰值的影响。

综上所述，目前针对射弹入水的试验入水角度范围为15°～90°，关注点着重在入水时物体所受冲击载荷和入水空泡演化，对于高速下更小入水角的入水试验研究较少。Truscott等[17]对子弹以5°～15°入水角、380 m/s速度斜入水进行了试验研究，观察了在浅水区超空泡的形成和发展，但其未研究入水时弹体姿态对喷溅演变、弹丸结构和入水后物体运动轨迹的影响，此外，入水冲击所诱导产生的水下压力波远距离传播变化规律也未见报道。

考虑到水下攻防武器多倾斜发射于存在随机波浪的水面，实际应用中存在更小的射弹入水角度。因此，本文采用高速摄像技术等构建的水靶道试验技术对超空泡射弹8°入水角高速斜入水过程开展试验研究，研究其入水瞬间弹体姿态对弹道稳定性和喷溅演化特性的影响。同时在试验水域均匀布置压力传感器，监测流场压力变化，研究入水过程中水下压力波的传播变化规律，为今后入水航行体的弹道控制和入水冲击压力波的监测分析提供数据参考和试验指导。

1 试验方案和试验模型

1.1 试验系统

斜入水试验系统示意图如图1所示，试验在35 m×2.4 m×2.4 m水靶道中进行，水深约2.2 m，水池两侧和底部均由钢板焊接制成，弹道终点采用钢制材料防护。试验采用12.7 mm口径滑膛弹道枪为发射装置，枪口高度H约3.73 m，枪管轴线与水平面夹角α为8°. 弹体出膛后至入水点的飞行距离约为10 m，空中飞行时间约15 ms. 因空中飞行过程中受到的扰动量级远小于水中，为方便分析，可假设在空中阶段弹丸速度方向和大小变化很小，α可看作是弹体入水速度v0与水平面的夹角，即入水角。速度矢量v位于水靶道铅垂对称面上，vx为v在x轴方向上的投影。入水点侧方和正上方分别布置一台高速摄影记录入水瞬间空泡形成过程和弹道特征，其中侧方为灰度摄影，上方为彩色摄影，拍摄频率分别为2 800帧/s和6 000帧/s，相机均套有塑料防水袋，以避免水花溅射损坏相机。池底拍摄视界内布有黑白相间的坐标尺，用于校准高速摄影位移和尺寸测量结果。同时位于水下沿弹体飞行轨迹左侧1、2、3、4高度等距分别布置1对压电式测压传感器(A1、A2、A3、A4和B1、B2、B3、B4)，用于测量入水冲击瞬间周围水域压力变化，系统实物照片如图2所示。

图1 试验系统示意图Fig.1 Schematic diagram of experimental system

图2 试验系统实物图(视向为弹道终点指向发射点)Fig.2 Photo of experimental system (the visual direction is from the ballistic end to the launch point)

1.2 试验模型

图3为超空泡射弹模型俯视图，由空化器、圆锥段、圆柱段和尾部组成。弹长为l，圆柱段最大直径为D，空化器直径为d，重心距前端面距离约0.34l.θ为射弹的偏航角，即弹轴在水平面的投影与惯性坐标系Ox轴的夹角。弹身采用铝合金材料，弹头部圆锥段采用钨合金，整个弹体通过螺纹连接而成，总质量m为0.104 kg，采用火药发射。

图3 超空泡射弹试验模型(俯视图)Fig.3 Experimental model of supercavitating projectile (top view)

图4 射弹入水时侧滑角示意图Fig.4 Schematic diagram of sideslip angle of projectile at the water-entry time

为描述入水时弹体姿态的微小偏转分别建立惯性坐标系Oxyz和弹体坐标系Ox′y′z′，如图4所示：Ox轴平行于水面指向弹道末端，Oy轴垂直于水平面竖直向下，Oz轴垂直于面Oxy指向射弹飞行左侧；入水速度矢量v0处于Oxy平面上，面Ox′y′为过弹轴的弹体纵向对称面；Q为速度v0终点F向面Ox′y′作垂线形成的垂点，则侧滑角β=FOQ，即射弹入水速度矢量与弹体纵向对称面的夹角。根据入水点上方高速摄像图片可测量出θ角，如图3所示，并结合入水角α，即可求出弹体侧滑角β，利用向量几何的知识可求得：

β=90°-arccos(sinθcosα).

(1)

试验弹丸是回转体轴对称模型，且飞行过程中无自旋，故讨论时只考虑侧滑角大小的影响。试验中多次进行射弹8°入水角相同发射条件下斜入水试验，试验测得入水初速v0范围640～655 m/s，速度变化较小，可忽略速度变化所导致的影响。因射弹加工误差装弹后弹身在膛内存在微小偏斜和火药气体对弹身的冲击作用，弹体入水时侧滑角会随机出现相应的变化，其范围处于0°～20°，而在2°～7°范围内变化的重复性较好。选取侧滑角近似线性变化的4种典型试验工况作对比分析，表1为选取的工况参数。

图5 侧滑角为2.4°时射弹入水过程Fig.5 Water entry of projectile for β=2.4°

表1 试验工况参数

Tab.1 Parameters for different experimental conditions

工况参数序号1234ω/g18181818v0/(m·s-1)642653647644α/(°)8888θ/(°)2.447.1311.1815.26β/(°)2.47.111.115.1

注:ω为装药量。

2 试验结果与分析

2.1 不同工况下入水弹道特性

根据试验中弹体入水时侧滑角的不同来对比分析弹道特性。图5是β为2.4°时上方和侧方高速摄像拍摄的射弹入水过程，可见高速射弹在1 ms内即可完成入水过程。弹体自右向左于1.58～1.83 ms间撞击水面，射弹在跨介质冲击瞬间(1.83 ms)将部分能量传递给弹头附近水域，水域流体质点获得远离冲击接触面的动量，使得水面上弹头前方和弹肩两侧立即出现白色的雾状喷溅，并逐渐形成左右近似对称的“蝶”状水幕(沿射弹飞行方向观察)。射弹于2.16 ms完全进入水中，自弹头部向后诱导生成包裹整个弹体的空泡，空泡壁光滑，空泡透明度较高，空泡包裹的弹体与入水前相比姿态没有明显变化。

观察图5(b)可知，弹体入水瞬间沿着弹体飞行方向水面上出现向前翻卷的“鳍状”喷溅，弹体在入水空泡内存在尾部向下倾斜的现象。原因是小入水角下，弹头圆锥段斜面与水面的拍击为弹体提供一个顺时针的力矩，整个弹身出现微小的顺时针偏转。总体来看，该工况下弹体入水过程较为理想，空化效果明显，入水能形成包裹射弹透明度较高的稳定空泡，冲击过程中弹体未发生较大偏转翻滚，弹道轨迹未明显弯曲。

图6 不同侧滑角下射弹入水过程(俯视图)Fig.6 Water entry processes of projectile at different sideslip angles (top view)

图6为弹体侧滑角逐渐增加时射弹以8°角入水过程的俯视图。相比工况1，随着β的增加，射弹与空泡壁碰撞强度逐渐增加，入水空泡内白色雾滴逐渐增多，透明度逐渐下降，射弹轮廓不清晰，空化效果较差，弹道弯曲程度逐渐增大。β增加至15.1°时，弹体在2.33～2.83 ms间出现了碎裂分解。

分析认为：入水β增加，弹身过度倾斜使单侧弹身与空泡壁面持续接触，弹身左右两侧持续受力不均匀，给弹体提供侧向加速度，致使弹体轨迹发生偏转。倾斜的弹身使弹体与水冲击接触面积增大，瞬间冲击载荷的增加，加上运动过程中弹身持续受力不均匀，弹身产生的弯曲变形进一步超过弹体结构强度，使弹体发生碎裂。弹头的倾斜和弹身与空泡壁的接触使得空化器作用被减弱，空化效果变差，空泡内充满雾化液滴，给弹体运动稳定增添更多干扰因素。

由于空泡包裹下无法准确测得射弹质心位移，故采用弹头前端在x轴和z轴方向上位移来表征射弹在俯视平面内的纵向和侧向运动轨迹，即实际弹道轨迹在水平面(Oxz平面)上的投影，如图7所示，射弹运动方向为自右到左，星号表示入水点位置。由图7可以看出4种工况下，4个入水点在z轴方向上距离最大相差0.05 m，占水池宽的2.1%，在x轴方向上距离最大相差0.28 m，占水池长的0.8%，可见发射过程虽受膛口扰动影响，射弹仍能保证较高精度的入水点。通过对比出膛口与入水时的弹道轨迹，可知入水前弹体运动轨迹z轴方向上最大偏转的工况为β=15.1°，其值为0.02 m，占水池宽的0.8%，在可接受的误差范围内，表明在膛内扰动的影响下，虽然射弹飞出枪口出现初始侧滑角，但其在空中阶段的运动仍较为稳定。

图7 不同侧滑角下射弹弹头在俯视平面内的运动轨迹Fig.7 Experimental motion tracks of projectile nose at different sideslip angles in top view

4种工况对比可知：入水后，β=2.4°的工况下弹道偏转最小，几乎为直线，整个过程保持着较好的稳定性；而随着入水β的增加，另外3种工况下的弹体运动轨迹在z轴方向的偏转范围和曲率均随之增大，表明入水β在一定范围内(约小于2.4°)对射弹斜入水过程的稳定性影响较小，β超过临界值时，弹体入水后弹道就会发生偏转甚至结构损坏，而弹道偏转的严重程度由入水β的大小决定。

综上所述，射弹以8°入水角高速斜入水时，弹头圆锥段斜面与水面的冲击提供了顺时针力矩诱使空泡内弹尾的向下倾斜。β主要影响弹体入水瞬间和入水后的运动，对空中运动的影响不大。射弹在小侧滑角入水时仍能出现透明和对称性较好的空泡并在水下运动时保持弹道稳定。β超过临界值时，则易造成空化效果减弱，空泡内出现大量雾滴，入水后弹道轨迹发生偏转弯曲。β进一步增大甚至会威胁弹体结构的完整性，入水过程的不稳定性也越严重。

2.2 不同工况下入水喷溅变化特性

根据试验中弹体入水时β的不同来对比分析入水冲击引起的喷溅变化过程。图8(a)～图8(d)分别为4种不同工况入水喷溅在俯视平面(Oxz平面)演化过程，为便于比较分析，喷溅轮廓坐标均以各工况下的入水点为参考原点。图8中定义L和W分别为同一时间点喷溅在Oxz平面内轮廓的最大长度和最大宽度。

分析4种工况下喷溅演化过程可知，射弹以8°角高速入水冲击引起的喷溅可分为前后两部分，如图8所示。前部分喷溅由弹头空化器面冲击水面形成，有向弹道前方和左右侧方运动的趋势；后部分喷溅则是因入水角较小，由弹头圆锥段斜面与水面拍击形成，有向弹道后方和左右侧方运动的趋势。将各时间点前后两部分喷溅分界点的坐标连线(图8中黑色粗虚线)，发现分界点运动轨迹在β=2.4°时近似为2条共端点的射线，锥角指向弹道后方。随着β增加，分界点连线扭曲度增加，但整体弯曲方向仍指向弹道后方。

图8 不同侧滑角俯视平面下入水喷溅变化过程Fig.8 Development of splash at different sideslip angles in top view

前半部分喷溅在演化过程中，β=2.4°时对称面近似为过入水点的Oyz平面。随着β增加，喷溅对称面会出现偏转，偏转方向与β方向一致，喷溅左右形状也会有所偏差，但总体来看左右对称性较好。后半部分喷溅随射弹浸水深度增加出现明显左右不对称的现象，主要是弹体侧滑角的存在使入水冲击时左右水面与弹身面接触面积不一致，靠弹身倾斜的一方(图5中为弹肩左侧)流体质点获得更多的动能，故后半部分弹尾倾斜方向的喷溅运动速度较高，范围较大，且后半部分喷溅的不对称性随β增加愈加明显。这也表明了入水侧滑角对弹肩两侧撞击水面引起的后半部分喷溅的左右对称性影响较大，对弹头空化器冲击水面形成的前半部分喷溅的左右对称性影响较小。可以推论当弹体以0°侧滑角斜入水时，水面上会形成左右对称性更好的喷溅。

图9为不同β下喷溅轮廓在Oxz平面内最大长度和宽度随时间变化图。对比可知：喷溅最大长度和宽度在4种工况下随时间变化趋势基本一致，长度在入水前期增长较快，后期趋于平缓；宽度变化则无明显前后的区别，整体缓慢增长，增速逐渐减小。β=2.4°时喷溅长度在后期最大，宽度最小。结合2.1节试验图5和图6可知，β增大致使射弹入水喷溅由较理想的对称发展过程转为非对称发展过程，喷溅最大长度急剧变小后在非对称发展过程中随着β继续增大又逐步升高，而最大宽度急剧增大后在非对称发展过程中受β变化的影响较小。

图9 不同侧滑角下入水喷溅轮廓俯视平面内尺寸变化Fig.9 Overall dimension of splash at different sideslip angles in top view

2.3 不同工况下水下压力波变化特性

弹体高速入水过程中，弹身与自由液面的拍击、超空泡的形成和溃灭等均会引起周围水域的激烈波动，并诱导产生水下压力波。此类压力波强度比普通水下声波高，瞬时冲量大，但其传播形式与普通水下声波相同。与水下爆炸产生的冲击波相比，该压力波波强和冲量均有所减弱，可以认为是介于二者之间的一种高强度水下声波，研究其变化规律对提高水下航行器稳定性和隐身性能均有重要意义。试验中采用沿弹道轨迹左侧等距成对布置测压点的方法，测量射弹斜入水冲击瞬间水下压力波动，由于B组传感器靠近墙壁，压力信号存在较多干扰，本文仅就A组压力信号来分析弹体不同β下入水冲击引起的水下压力变化规律。

图10为4种工况下A1传感器测得的压力波信号，压力幅值p自射弹入水后均出现明显陡增后缓慢下降的过程，后期信号波动剧烈。整个过程压力信号变化特征一致且信号峰值均出现在2.5 ms附近，可以判断该峰值表现的是入水冲击产生的初始水下压力波强度。压力峰值随β增大而显著增加，试验中随着β增大，入水冲击时射弹与液面接触面积增大，瞬时传递的能量增多，故冲击形成的压力波强度也显著增强。

图10 不同入水侧滑角入水冲击瞬间A1测压点水下压力波动信号Fig.10 Underwater pressure signals monitored by the transducer A1 after the water-entry impact at different sideslip angles

图11为弹体不同入水β入水冲击引起的水下A1、A2、A3、A4测压点压力波动信号。沿着弹道方向水下压力总体变化趋势是：在射弹入水瞬间压力先陡增后幅值缓慢下降，后期处于高频脉动过程，压力幅值变化范围较大。根据压力信号变化特征可将整个变化过程分成2个阶段：一是入水初期初始压力波动阶段Ⅰ，发生在入水瞬间(0～10 ms)，波形较为规则，有明显的压力先陡增后缓慢下降的过程，正压幅值较高，负压幅值较小；二是后期(t>10 ms)压力高频脉动阶段Ⅱ，各种压力信号会从各个方向经过不同路径抵达测压点，如空泡溃灭引起的压力波、水面和池壁反射波等，致使测量幅值随机起伏较大，存在信号时延扩散[18]现象，后期因能量逐渐消耗而消失。对比不同β压力信号发现：随着β的增大，压力高频脉动阶段Ⅱ的整体幅值和脉动强度会逐渐减小，β=2.4°时，压力脉动整体幅值最大，脉动明显；β=15.1°时压力脉动整体幅值最小，波动趋于平缓。

图11 不同入水侧滑角入水冲击瞬间水下压力波动信号Fig.11 Underwater pressure signals induced by the water-entry impact at different sideslip angles

试验中观测到4种工况下入水空泡尾部均在15 ms以后开始收缩溃灭，故初始压力波动阶段Ⅰ不存在空泡溃灭的干扰。观察0～10 ms数据可知，β为2.4°和15.1°的工况下，压力峰值的衰减过程较为一致，沿着弹道轨迹方向，4个测压点压力峰值逐一衰减，最靠近入水点的A1传感器最先感受到第一个压力波峰，随后A2、A3、A4传感器接收到压力波峰，且随着时间压力峰值逐渐衰减，没有出现峰值再次增大的情况，表明在初始压力波动阶段Ⅰ，压力波在沿弹道方向传播时反射叠加的影响较小。但相较而言，β=15.1°的工况压力峰值较高，压力波强度较大，衰减速度较快。对比分析2.1节中4种工况下入水试验现象可知：β=2.4°时，入水超空泡形成较好，弹体被完整地包裹在空泡内，0～10 ms的压力波主要由弹头空化器与前方水域冲击产生，二者接触面积较小，扰动形成的压力波也较小，且过程中弹道较稳定未出现无其他强烈的扰动源，故压力波峰值会逐渐衰减；而β=15.1°的工况基本未形成入水超空泡，弹体出现严重的倾斜，冲击时弹体速度最高且与水域接触面积最大，整个过程可看作是弹体在水中阻力作用下速度迅速衰减的过程，故压力波初始峰值最高，沿着弹道方向传播逐渐衰减。

而β=7.1°和11.1°的2种工况下，初始压力波动阶段Ⅰ均出现测压点峰值先升高后逐渐降低的过程，根据工况1和工况4该阶段压力波反射叠加的影响较小，且4种工况测压点接收到压力信号时间基本一致，可以认为β为7.1°和11.1°的2种工况下该阶段压力波反射叠加的影响亦较小，测压点峰值先升高后降低表明该时间段出现强烈扰动源。如图6(a)、图6(b)所示，试验中β为7.1°和11.1°的工况入水空泡形成初期，入水冲击时弹身与水面接触较少，扰动较小，故A1点测得初始压力波峰值较小，与工况1测得的压力幅值和信号接收时间基本一致。但随着弹道的逐渐弯曲，弹体逐渐倾斜致使弹身与水域接触面积增大，超空泡内出现大量白色雾滴致使扰动增多，试验中2种工况的射弹均掉落在靶前池底并未上靶，可以推测随着弹道稳定性继续降低，弹体中途失稳滑行掉落在池底，失稳时射弹受水阻力作用速度迅速衰减，同时形成强烈的扰动源，产生新的强压力波信号，这与工况4的压力波形成过程较为相似。由于整个过程时间较短，新压力波信号会覆盖初始入水冲击产生的逐渐衰减的压力波信号，故测压点A2、A3、A4会测得新一轮压力峰值衰减过程。